CN112592915A - 一种用于环境修复中微藻固定化的改性环保载体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于环境修复中微藻固定化的改性环保载体的制备方法，属于环境保护技术领域。该方法以玉米秸秆、菌草和甘蔗渣这些有机废物为原料，将其压榨脱水、脱毛粉碎、改性处理，并将多糖凝胶等新型碳源与之混合，制成有利于异养微藻定植和碳源缓释的有机生物固定化载体，用以培育和诱导藻类生长，修复富营养化水体。本发明的改性环保载体的制备方法具有操作方便、经济环保和有利于微藻定植的特点。

Description

一种用于环境修复中微藻固定化的改性环保载体的制备方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体地涉及一种用于环境修复中微藻固定化的改性环保载体的制备方法。
背景技术
近年来，国际上微藻在富营养化生态系统修复能力日益受到关注。微藻生长周期短、生长速度快，具备大量吸收水体营养的能力，并可以产生油脂、蛋白、胡萝卜素及DHA、EPA等高附加值产品，有效地将富营养物质进行资源化开发与利用。微藻的生物利用包括两大类，一类是光合自养藻类，他们以阳光为能量，通过光合作用固定二氧化碳，合成葡萄糖、淀粉、油脂以及多种胡萝卜素，这类微藻的生物合成是大家熟知的。这类微藻的大规模培养主要依赖光生物反应器和跑池，主要限制性因子是光线和二氧化碳，主要利用的是无机营养。另一类微藻是异养型微藻，他们可以主动吸收和利用有机碳，在有氧的条件下，将有机碳转化为能量，并合成葡萄糖、油脂和胡萝卜素。这类藻类主要生活在底水界面，需要有足够的氧气，帮助其消化吸收。还有一类藻类是混合营养，他们兼具光合自养和异养的能力，能主动利用无机和有机营养，进行细胞生长和繁殖。目前，国际上对混合营养和异养藻类进行污水处理高度关注，他们在污染物资源化方面具有特殊的作用，其作用和效率甚至比微生物更高，而且其产物可以通过食物链进行转移，极具市场潜力，是新的污水处理希望之星。
微藻固定化用于脱氮除磷方面，Heng Liang研究组发现利用固定化微藻不仅能够处理厌氧消化废液中的有机物，也能快速对微藻进行回收，同时降低膜污染。吴义诚利用生物炭-海藻酸钠联合固定化小球藻，促进小球藻的生长的同时去除水中氨氮，且氨氮的去除率随着胶球加入量和胶球粒径的增加而提高。Cranfield大学和RMIT大学共同研究发现，在固定化微藻反应器运行中，在去除水体氮磷的同时，实现了60％应用成本的降低。此外，Wenqiao Yuan研究组将微藻和材料进行附着研究，进一步提供了微藻半固定化对于氮磷去除和微藻收获的优势。
目前，已有的微藻固定化方法大致可以分为四种：包埋法、吸附法、交联法和共价结合法。包埋法是将微藻限定在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内，或使微藻细胞扩散进入多孔性的载体内部，同时能让基质渗入和产物扩散出来。吸附法是依据带电的微藻细胞和载体之间的静电、表面张力和黏附力的作用，从而使微藻细胞固定在载体表面和内部形成生物膜的方法。交联法又称无载体固定化方法，是利用微藻中酶分子的氨基和羟基与交联剂的官能基团反应，交联形成共价键，使微藻彼此相互形成网状结构，实现固定化目的。共价法就是使非水溶性载体与酶以共价键的形式结合。
固定化材料应具有对微藻低毒性，具有多孔性，传质快、稳定性能好，没有特异性吸附，有适合引入配基的官能团，不易被微藻降解，强度高，寿命长和价格低廉等特点。不同的材料存在性能和固定方式的差别，其中SA(海藻酸钠)、卡拉胶、琼脂、明胶等为天然载体，但存在稳定性差等缺点；而使用PVA(聚丙烯醇)，ACRM(聚丙烯酰胺)等人工合成载体，在材料降解过程中容易造成环境二次污染；活性炭、多孔陶土、微孔玻璃为无机载体，经济成本较高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于环境修复中微藻固定化的改性环保载体的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于环境修复中微藻固定化的改性环保载体的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)原料组成：按重量份计称取30～50份的玉米秸秆、12～18份的菌草和1～6份的甘蔗渣，混合均匀，得到混合样品；
(2)脱毛粉碎：将混合样品经1～5目不锈钢筛网过滤后，在100～110℃烘干，随后取出，冷却至常温，再通过粉碎机粉碎，得到粒径为0.2～0.9mm的混合粉末；
(3)压榨脱水：将步骤(2)得到的混合粉末置于体积浓度为10％的NaOH溶液中，搅拌均匀后静置浸泡12～15h，得到料液，将料液过滤并压榨，得到压榨物料；所述混合粉末与NaOH溶液的重量比为1:15～20；
(4)改性处理：将环氧氯丙烷倒入盛有压榨物料的反应釜中，至压榨物料浸渍完全，在60～70℃、150～250rpm条件下反应6～8h；倒掉液体，再倒入三甲胺至压榨物料浸渍完全，在70～80℃、150～250rpm条件下反应4～6h；反应完成后，将压榨物料过滤，用等量乙醇和0.1mol/L盐酸混合溶液洗涤压榨物料，最后水洗至中性后再干燥，即可得改性后的有机纤维粉末；
(5)混合：将多糖凝胶用水在80℃以上条件下配成质量浓度为2～3％的热溶解液，将步骤(4)获得的有机纤维粉末与热溶解液混合形成混悬液，冷却至室温后，形成有机纤维胶球；所述有机纤维粉末与热溶解液的重量比为1:15～20。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)操作方便：本发明的改性环保载体的制备方法有利于工业化大规模生产；
(2)经济环保：本发明中所选择的原材料为有机废渣，大大降低了成本；对微生物毒性低、具有多孔性、传质快、稳定性能好，没有特异性吸附，又适合引入配基的官能团、不易被降解、强度高及使用寿命长等特点。
(3)利于微藻定植：微藻定植于本发明的有机纤维胶球中，微藻细胞能够扩散进入多孔性载体内部，同时能让基质渗入和产物扩散出来，微藻成活率比单一多糖凝胶胶粒高。
(4)利于环境修复：将制备的环保载体定植在特定水域，在有氧条件下利用多糖胶团的碳缓释作用，诱导底栖混合营养藻类的萌发，对富营养化水质起到环境修复作用。
附图说明
图1为载体表面初期藻膜的显微镜镜检图像；
图2为混合样品和改性后的有机纤维粉末的扫描电镜图像；图2(a)为混合样品的SEM，图2(b)为改性后的有机纤维粉末的SEM；
图3为混合样品和改性后的有机纤维粉末的Cls与Nls轨道能谱：图3(a)为混合样品和改性后的有机纤维粉末的Cls轨道能谱，图3(b)为混合样品和改性后的有机纤维粉末的Nls轨道能谱。
具体实施方式
本发明结合附图和实施例作进一步的说明，下述实例用以进一步说明本发明，但并不由此限制本发明范围。
实施例1
(1)原料组成：称取500g的玉米秸秆、180g的菌草和60g的甘蔗渣，混合均匀，得到混合样品；
(2)脱毛粉碎：将混合样品经5目不锈钢筛网过滤掉该混合样品中的杂物，在110℃烘干，取出，冷却至常温，再通过粉碎机粉碎筛选，最后得到粒径为0.9mm的混合粉末。
(3)压榨脱水：将步骤(2)得到的混合粉末置于体积浓度为10％的NaOH溶液中，所述混合粉末与NaOH溶液的重量比为1:15；用玻璃棒搅拌均匀后静置浸泡15h，得到料液，将料液通过布氏漏斗过滤并压榨，得到压榨物料。
(4)改性处理：将步骤(3)所得压榨物料放入玻璃反应釜中并倒入1000mL环氧氯丙烷,使得压榨物料浸渍完全，在70℃、250rpm条件下反应8h，倒掉液体，再缓缓倒入1000mL三甲胺，使得物料浸渍完全，在80℃、250rpm条件下反应6h。反应完成后，将压榨物料用纱布过滤后，用等量乙醇和0.1mol/L盐酸混合溶液洗涤压榨物料，最后用超纯水洗至中性后再干燥后即可得改性后的有机纤维粉末387g。
(5)混合：将多糖凝胶用水配成质量浓度为3％的热溶解液，将步骤(4)获得的有机纤维粉末387g与热溶解液按照重量比为1:20混合形成混悬液，冷却至室温后，在表面张力作用下，形成大量有机纤维胶球。
将上述方法收集的有机纤维胶球进行微藻定植，并在显微镜下观察，结果如图1，依据带电的微藻细胞和载体之间的静电、表面张力和黏附力的作用，从而使微藻细胞固定在载体表面形成生物膜。结果表明固定化完成后微藻在改性环保载体上生长良好，将生物炭的吸附作用和微藻吸收营养能力协同作用，促进微藻的生长的同时去除水中氨氮，且氨氮的去除率随着胶球加入量和胶球粒径的增加而提高。
实施例2
(1)原料组成：称取30g的玉米秸秆、12g的菌草和1g的甘蔗渣，混合均匀，得到混合样品；
(2)脱毛粉碎：将混合样品经1目不锈钢筛网过滤掉该混合样品中的杂物，在100℃烘干，取出，冷却至常温，再通过粉碎机粉碎筛选，最后得到粒径为0.2mm的混合粉末。
(3)压榨脱水：将步骤(2)得到的混合粉末置于体积浓度为10％的NaOH溶液中，所述混合粉末与NaOH溶液的重量比为1:20；用玻璃棒搅拌均匀后静置浸泡12h，得到料液，而后将获得的料液通过布氏漏斗过滤并压榨，得到压榨物料。
(4)改性处理：将压榨物料放入玻璃反应釜中并倒入100mL环氧氯丙烷,使得压榨物料浸渍完全，在60℃、150rpm条件下反应6h；倒掉液体，再缓缓倒入100mL三甲胺，使得压榨物料浸渍完全，在70℃、150rpm条件下反应4h。反应完成后，将压榨物料用纱布过滤，用等量乙醇和0.1mol/L盐酸混合溶液洗涤压榨物料，最后用超纯水洗至中性后再干燥后即可得改性后的有机纤维粉末38g。图2(a)为混合样品的SEM，其表面结构较为紧密，无明显的空隙。图2(b)为改性后的有机纤维粉末的SEM，可以看出改性后表面更加顺滑，均质纤维素丝几乎完全暴露出来，这些纤维束都紧密的粘结在一起，直径基本都在5μm左右。通过比较混合样品和改性后的有机纤维粉末的表面显微图像，推测出在改性后，纤维素丝大都暴露出来，并使改性过程能够更好的与纤维素直接反应，使季铵基得以被引入到纤维素丝表面成为微藻细胞活性吸附位点。
(5)混合：将多糖凝胶用水配成质量浓度为2％的热溶解液，将步骤(4)获得的有机纤维粉末38g与热溶解液按照重量比为1:15混合形成混悬液，冷却至室温后，在表面张力作用下，形成有机纤维胶球。
将上述方法收集的有机纤维胶球进行微藻定植，使得微藻在改性环保载体上生长良好。
实施例3
(1)原料组成：称取100g的玉米秸秆、40g的菌草和8g的甘蔗渣，混合均匀，得到混合样品；
(2)脱毛粉碎：将混合样品经3目不锈钢筛网过滤掉该混合样品中的杂物，在105℃烘干1h，取出，冷却至常温，再通过粉碎机粉碎筛选，最后得到粒径为0.5mm的混合粉末。
(3)压榨脱水：将步骤(2)得到的混合粉末置于体积浓度为10％的NaOH溶液中，所述混合粉末与NaOH溶液的重量比为1:18；用玻璃棒搅拌均匀后静置浸泡13h，得到料液，将料液通过布氏漏斗过滤并压榨，得到压榨物料。
(4)改性处理：步骤(3)所得压榨物料放入玻璃反应釜中并倒入300mL环氧氯丙烷,使得物料浸渍完全，在65℃、200rpm条件下反应7h，倒掉液体，再缓缓倒入300mL三甲胺，使得物料浸渍完全，在75℃、200rpm条件下反应5h。反应完成后，将压榨物料用纱布过滤后，用等量乙醇和0.1mol/L盐酸混合溶液洗涤压榨物料，最后用超纯水洗至中性后再干燥后即可得改性后的有机纤维粉末131g。
(5)混合：将多糖凝胶用水配成质量浓度为2.5％的热溶解液，将步骤(4)获得的有机纤维粉末131g与热溶解液按照重量比为1:15混合形成混悬液，冷却至室温后，在表面张力作用下，形成有机纤维胶球。
混合样品和改性后的有机纤维粉末通过XPS测定的表面元素分析(结果如表1)，可以发现在改性之后N元素和Cl元素的比例增加，N的增加是由于在改性之后季铵基的存在所导致，而Cl元素的增加则是由于在用HCl溶液洗涤压榨物料时大量的Cl-替代了吸附剂表面本来的OH-。
图3(a)为混合样品和改性后的有机纤维粉末的Cls轨道能谱，其中在285eV处的峰与烃类中的C-C/C-H键有关，尤其是甲基和亚甲基；在286.5eV处的峰是与羧基中的C-O键或者醚基C-O-C有关；另外，在氨基存在的条件下，C-N键业可引起286.5eV附近的峰。而混合样品和改性后的有机纤维粉末中的C-C/C-H键和C-O/C-N/C-O-C键的比例都达到了80％以上，说明混合样品和改性后的有机纤维粉末表面均以甲基/亚甲基、羟基或氨基为主要基团。在改性后，C-C/C-H键的比例从65％下降到了35％；而C-O/C-N/C-O-C键却从25％增加到了近52％。这一方面是由于在改性过程中形成的环氧纤维素醚增加了材料表面的醚基和羟基，另一方面是在于三甲胺反应的季铵化过程中提高了C-N键的比例。图3(b)即为混合样品和改性后的有机纤维粉末的Nls图谱，在400eV处的峰是与-N(CH)2/-NH2有关，402.7eV附近的峰与季铵基或质子化氨基(-N(CH3)3 +/-NH3 +)有关，可以看出在改性后季铵基的峰面积增加，这同样是因为存在季铵基团的原因。这一结果进一步证明，改性前后通过XPS测定的表面元素分布，可以发现在改性之后N元素和Cl元素的比例增加。N的增加是由于在改性之后季铵基的存在所导致，而Cl元素的增加则是由于在用HCl溶液洗涤改性秸秆时大量的Cl-替代了吸附剂表面本来的OH-。
综上，改性后的有机纤维主要结构骨架为纤维素，主要功能基团为季铵基和羟基，说明通过改性大量的季铵基团被引入到有机渣混合物中。
表1：改性前后材料表面元素的组成
样品 C O N Cl
原始有机废渣混合物 69.4％ 28.8％ 1.2％ 0.3％
改性后的有机纤维 72.0％ 24.0％ 2.9％ 0.9％
将上述方法收集的有机纤维胶球进行微藻定植，使得微藻在改性环保载体上生长良好。

Claims (1)

1.一种用于环境修复中微藻固定化的改性环保载体的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)原料组成：按重量份计称取30～50份的玉米秸秆、12～18份的菌草和1～6份的甘蔗渣，混合均匀，得到混合样品；
(2)脱毛粉碎：将混合样品经1～5目不锈钢筛网过滤后，在100～110℃烘干，随后取出，冷却至常温，再通过粉碎机粉碎，得到粒径为0.2～0.9mm的混合粉末；
(3)压榨脱水：将步骤(2)得到的混合粉末置于体积浓度为10％的NaOH溶液中，搅拌均匀后静置浸泡12～15h，得到料液，将料液过滤并压榨，得到压榨物料；所述混合粉末与NaOH溶液的重量比为1:15～20；
(4)改性处理：将环氧氯丙烷倒入盛有压榨物料的反应釜中，至压榨物料浸渍完全，在60～70℃、150～250rpm条件下反应6～8h；倒掉液体，再倒入三甲胺至压榨物料浸渍完全，在70～80℃、150～250rpm条件下反应4～6h；反应完成后，将压榨物料过滤，用等量乙醇和0.1mol/L盐酸混合溶液洗涤压榨物料，最后水洗至中性后再干燥，即可得改性后的有机纤维粉末；
(5)混合：将多糖凝胶用水在80℃以上条件下配成质量浓度为2～3％的热溶解液，将步骤(4)获得的有机纤维粉末与热溶解液混合形成混悬液，冷却至室温后，形成有机纤维胶球；所述有机纤维粉末与热溶解液的重量比为1:15～20。
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